熱電池激活過程倒灌電流影響因素研究 *

盛德衛，王臻，王龍啟，馬曉東

（北京電子工程總體研究所，北京 100854）

0 引言

從20 世紀初期德國Erb 博士發明了一次使用貯備熱電池，到目前誕生了很多體系的熱電池，電池的各項性能指標在不斷地提高。熱電池是采用一種在常溫下為非導電的固體無機電解質，電極活性物質和電解質相互之間不進行化學反應，處于非工作狀態。在一定熱量作用下將電池激活，電池內部溫度迅速上升使得電解質熔融，形成高電導率的離子導體，正負極開始電化學反應輸出直流電壓及電流，隨著放電時間的延長，電池溫度逐漸降低，電池內阻加大，輸出功率逐漸下降［1-5］。

熱電池貯存壽命長，自放電低，正常貯存壽命可達10～15 年；激活時間短，瞬間達到所需的額定電壓，適用于戰時狀態對反應速度的要求；適應于各種嚴酷條件。在高溫、低溫、振動、沖擊、加速度、旋轉等條件下工作，具有極高的可靠性和堅固性；使用簡單、方便，基本上無須維護和保養。因此被廣泛用于各種戰術武器中［6-8］。

熱電池輸出端作為與導彈對接的電氣接口，其激活過程中倒灌電流的大小將直接影響彈上電子設備工作的可靠性。為了解熱電池激活過程中倒灌電流變化規律，本文對其影響因素進行研究。通過研究，為導彈電氣系統的安全、可靠供電電路的設計提供有力支撐。

1 倒灌電流產生機理

1.1 電氣接口設計

導彈發射前，地面發控電源和彈上電池并聯為彈上負載供電。在導彈發射時，地面發控系統完成彈上電池激活，發控系統按照電池激活時間指標進行電池電壓采集，采集電壓滿足設計指標后繼續執行后續時序動作。彈上電池與地面發控、彈上負載接口連接關系如圖1 所示。

圖1 電氣接口連接關系圖Fig.1 Electrical interface connection diagram

地面發控電源和彈上電池并聯供電過程中，地面發控電源為恒壓源，電池激活前，彈上電池內阻Rbr為MΩ 級，電流Ibc幾乎為0；電池激活時刻到建壓正常前，初期電池電壓低、阻抗下降快，發控電源快速向電池充電，產生倒灌電流Ibc，在倒灌電流形成時，流經地面電源Igc的電流是倒灌電流Ibc和負載電流Imc的和，倒灌電流越大則總電流越大，受線路阻值Rcr影響，線壓降Ucv越大，彈上負載電壓Umv被拉低，當電壓被拉低到一定范圍后就會影響彈上電子設備的正常工作，對武器系統帶來嚴重影響。

1.2 機理分析

（1） 熱電池組成

一個完整的熱電池主要包含單元熱電池和支架、外殼、蓋板、印制板、絕緣片等零件，根據電池使用需求，一個熱電池或存在多個單元熱電池。單元熱電池主要由電池堆、點火組件、引燃組件、絕緣保溫組件、密封組件導流條及組合殼等組成，將各部分裝入電池殼中，然后將組合蓋壓入電池殼的開口處，通過氬弧焊接或激光焊接形成密封的熱電池單元整體，同樣一個單元熱電池或存在多個電池堆。電池堆是由多個單體電池串聯而成，單體電池主要包含加熱片、負極片、隔膜、正極片及集電片等［9-10］。以LiB/CoS2 電化學體系的電池為例，LiB 合金負極片采用單片-復合片組合單獨制作，正極和隔膜復合片單獨制作。引燃組件由引燃片和引燃條組成。單體電池的組成如圖2 所示。一個完整的熱電池組成如圖3 所示。

圖2 單體電池組成框圖Fig.2 Block diagram of single cell composition

圖3 完整的熱電池組成框圖Fig.3 Block diagram of complete thermal battery composition

（2） 熱電池激活過程分析

熱電池激活過程是通過外電源給出一個激活信號，點爆電發火頭，引燃引燃片，引燃片引燃引燃條，通過引燃條引燃加熱片，使電池的內部溫度升高，單體熱電池的電解質熔融形成高電導離子導體，激活單體熱電池后就激活單元熱電池，最后輸出電能，單元熱電池激活過程如圖4 所示。

圖4 單元熱電池激活過程Fig.4 Activation process of single thermal battery

（3） 熱電池等效電路

單體電池正極片和負極片中間的隔膜片為電解質與氧化鎂的混合物，單體電池未激活前，隔膜是不導電的絕緣材料，電池相當于一個電阻值無窮大的電阻，見圖5a）。當電池激活后，電解質熔融過程中，電極與電解質間形成雙電層，同時電解質電導率升高，電池電阻由MΩ 級減小到Ω 級，單體電池類似于一定直徑的電容器，在電路上可等效為一個電容與一個電阻串聯的關系，見圖5b）。當電解質完全熔融后，電池可以對外輸出，在電路上表現為一個具有一定電壓的電源，內阻接近0，見圖5c）。

圖5 單體電池等效電路Fig.5 Single cell equivalent circuit

單元熱電池的等效電路如圖6 所示，以每個單元電池由3 個電池堆并聯組成，每個電池堆由16 個單元單體串聯組成。設電池堆的電容為Cn（n=1，2，3），單體電池的電容為Cni（i=1，2，…，16；n=1，2，3），單元熱電池的電容為C，則

圖6 單元熱電池等效電路Fig.6 Unit cell equivalent circuit

（4） 倒灌電流形成過程

當電池與地面發控電源并聯時，在電池激活后，如果電解質熔融速度過快，而正、負極間未反應，電壓建立緩慢，地面電源與電池間會在一定時間內存在電壓差，此時電池表現為容性負載，根據Q=CU=I倒灌t，地面發控電源就會向電池進行充電。在獲得同樣電量的情況下，若充電時間（電池激活時間）越短，則倒灌電流越大；電池等效電容越大，則倒灌電流越大。

2 影響因素分析及驗證情況

通過對倒灌電流的機理分析可知，影響熱電池激活過程中倒灌電流大小的主要因素包含電池堆并聯數量、引燃條燃速、加熱片燃速、極片的面積大小、電解質的熔融速度、電池堆單體電池串聯數量、電發火頭激活方式、線阻大小及彈上負載功率大小等［11-15］。

其中，極片面積越大等效電容越大，電池堆單體電池串聯數量越少等效電容越大，雙端單發激活方式（單體電池從電池蓋和電池底處往電池堆中部依次激活）比單端雙發激活方式（單體電池從電池蓋處從上往下依次激活）激活時間更短，產生的倒灌電流越大，對系統影響越大。

對電池堆并聯數量、引燃條燃速、加熱片燃速、電解質的熔融速度、線阻大小及彈上負載功率大小等因素進行分析及試驗驗證。架構試驗電路測試電池激活過程中產生的倒灌電流，如圖7所示。

圖7 激活試驗電路等效圖Fig.7 Equivalent diagram of activation test circuit

（1） 電池堆并聯數量

設計參數相同、所有材料批次相同，進行不同堆數倒灌電流摸底試驗，電池堆堆數分別為6 堆、3堆、1 堆，裝配完成后按圖7 進行倒灌電流試驗，試驗結果見表1，圖8 所示。

表1 并聯堆數試驗結果Table 1 Test results of parallel stacks

圖8 母線電壓-倒灌電流曲線（并聯堆數）Fig.8 Bus voltage-inverted current curve(number of parallel stacks)

從圖8 可以看出，在保持其他參數一定的情況下，倒灌電流的大小和電池堆數成正比，并聯的電池堆越多，倒灌電流越大，這是因為并聯堆數越多，同時形成電容的概率越大，電容就越大，因此，倒灌電流就越大。

（2） 引燃條燃速

設計參數相同、所有材料批次相同，進行不同引燃條燃速倒灌電流摸底試驗，裝配完成后按圖7 進行倒灌電流試驗，試驗結果見表2，圖9 所示。

表2 引燃條燃速試驗結果Table 2 Burning rate test results of pilot strip

圖9 母線電壓-倒灌電流曲線（引燃條燃速）Fig.9 Bus voltage-inverted current curve(burning rate of pilot strip)

測試結果表明，其他狀態一定的情況下，引燃條燃速越快，倒灌電流越大。

（3） 加熱片燃速

設計參數相同、所有材料批次相同，進行不同加熱片燃速倒灌電流摸底試驗，裝配完成后按圖7 進行倒灌電流試驗，試驗結果見表3，圖10 所示。

測試結果表明，其他狀態一定的情況下，加熱片燃速越快，倒灌電流越大。

（4） 電解質的熔融速度、線阻大小及彈上負載功率大小

設計參數見表4，其中低熔點電解質熔點約236 ℃，三元全鋰電解質熔點約為436 ℃。試驗結果如表5 所示。

表4 試驗條件Table 4 Test conditions

表5 電解質的熔融速度、線阻大小及彈上負載功率大小試驗結果Table 5 Test results of electrolyte melting rate，line resistance，and load power on missile

綜上所述，在電池堆數、極片面積、引燃條燃速、加熱片燃速相同設計狀態下，線阻大小、負載功率大小、電解質種類及電池線纜電阻因素產生的倒灌電流無明顯差別。

3 對系統設計建議

通過影響因素分析及試驗情況統計，熱電池在相同設計狀態下激活過程中倒灌電流無明顯差別，數據一致性較好。在彈上電氣系統設計時，對倒灌電流進行充分分析及試驗摸底，辨識其對系統的影響，如果因倒灌電流導致的線阻壓降對系統供電電壓影響會影響系統安全、可靠地工作，需要系統級開展防倒灌電流設計。

為了避免彈上電池激活過程中低阻狀態對系統造成的不良影響，在彈上電池供電端增加防倒灌二極管后再與地面電源并聯輸出，為二次電源產生單元提供穩定供電。二極管型號為2DK60200，正向導通電流可達60 A，在設備出廠前檢測二極管的性能，避免單只失效。設計如圖11 所示。設計過程中需要充分考慮二極管降額設計、可靠性設計、冗余設計以及全溫下的管壓降問題，圖12 為2DK60200 二極管不同溫度、不同過電流狀態下的管壓降。

圖11 防倒灌二極管設計示意圖Fig.11 Schematic diagram of anti-backflow diode design

圖12 2DK60200 二 極 管 管 壓 降Fig.12 2DK60200 diode tube voltage drop

4 結束語

為了解熱電池激活過程中倒灌電流變化規律，本文對其影響因素進行了研究。通過研究表明，熱電池在相同設計狀態下激活過程中倒灌電流無明顯差別，數據一致性較好。倒灌電流的大小和電池堆數、引燃條燃速、加熱片燃速成正比，并聯的電池堆越多，引燃條燃速越快、加熱片燃速越快，產生的倒灌電流越大。線阻大小、負載功率大小、電解質種類及電池線纜電阻因素產生的倒灌電流無明顯差別。上述結論為導彈電氣系統的安全、可靠供電電路的設計提供了有力支撐。